矩阵范数与扰动

外尔扰动(特征值)

外尔定理是对称矩阵的好消息:它们的特征值在扰动下几乎不动。若你给对称矩阵 A 加上一个小的对称误差 E,没有任何特征值的位移会超过 E 的大小。谱的稳定性已是你所能企盼的极致。

把对称(或埃尔米特)矩阵的特征值排序为 lambda_1 >= lambda_2 >= ... >= lambda_n。外尔不等式断言:对扰动矩阵 A + E,第 k 个特征值满足 |lambda_k(A + E) - lambda_k(A)| <= ||E||_2。更精细的双边版本用 E 的极端特征值把每个位移后的特征值夹在邻居之间。

其背后的引擎是 Courant-Fischer 极小极大刻画:每个特征值都是瑞利商在子空间上的极大-极小,而加上 E 会让每个瑞利商至多移动 ||E||_2。由于特征值由这些商构造,它们继承相同的界。这里不出现对角化条件——对称性保证了标准正交的特征向量。

在实践中,这正是对称特征值问题受信任的原因:阶为 epsilon 的测量噪声或舍入,使计算出的特征值至多移动 epsilon。它是鲍尔-法伊克的完美条件特例,也是同样稳健的奇异值扰动界在特征值上的类比。

|lambda_k(A + E) - lambda_k(A)| <= ||E||_2 (A symmetric)

每个对称特征值关于矩阵是 1-利普希茨的:它跑不过引起它的扰动。

外尔也界定和:对对称的 A、B 有 lambda_{i+j-1}(A+B) <= lambda_i(A) + lambda_j(B)。这一族不等式支撑着埃尔米特谱扰动理论的大部分内容。

又称
Weyl's inequalityWeyl eigenvalue bound